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摘要介紹了光合細菌的分類及特性,并綜述了光合細菌在養殖業、農牧業以及生產食用色素、新能源開發、保健、醫藥等方面的應用。
關鍵詞光合細菌;分類;特性;應用
中圖分類號 Q939.1 文獻標識碼A文章編號 1007-5739(2010)09-0011-02
TheStudyonCharacteristicsofPhotosyntheticBacteriaandApplicationofVariousIndustries
XU Cheng-bin 1MENG Xue-lian 2MA Xi-ping 1 *FU Bao-rong 1HUI Xiu-juan 1
(1 School of Environmental Science,Liaoning University,Shenyang Liaoning 110036; 2 School of Pharmacy,Liaoning University)
AbstractA brief narration about the photosynthetic bacteria’s category and identity were introduced,and the application developments on breeding industry and agriculture food colorant production,new energy sources exploitation,health,medicine,etc.
Key wordsphotosynthetic bacteria;category;identity;application
光合細菌(Photosynthetic Bacteria,簡稱PSB)是一種高科技微生物生化產品,是一類以光為能源,在厭氧光照或好氧黑暗條件下利用自然界中有機物、硫化物、氨氮等為營養進行生長和繁殖的微生物[1]。水產養殖中使用較多的為紅螺菌科的紅假單胞菌屬的混合菌株。目前,PSB以其獨特的生理功能和菌體豐富的營養在水產養殖、畜禽生產、飼料添加劑和環境保護等諸多領域得到了廣泛的應用。
1光合細菌的分類
光合細菌在分類上屬于原核生物界(Procaryota)、真細菌亞界(Peubacteria)、薄壁菌門(Gracilicutes)、紅螺菌目(Rhodospirillales)中的紅螺菌亞目(Rhodospirillineae)和綠螺菌亞目(Chlorobineae),分為外硫紅螺菌科、著色菌科、綠色硫細菌、紫色非硫細菌和多細胞絲狀綠細菌、螺旋桿菌科、含細菌葉綠素的專性好氧菌等7大類群,50個屬[2],它們的主要分類學特征見表1。
2光合細菌的生態位
光合細菌生存于水域中的厭氧層上部,以下層的硫酸還原菌和細菌發酵生成的H2S、CO2為營養源,進行光合作用。這說明光合細菌利用光能和厭氧層下部生成的化合物,轉換成其自身化合物,其中一部分又還原回到厭氧層[3]。從另一個角度講,可以說光合細菌阻止在厭氧層生成的物質移向好氧層,光合細菌在此起著生物濾器的作用,可阻止厭氧層生成的毒性物質H2S擴散到好氧層,使生活于好氧層中的水生生物(水生動物和水生植物)得以正常生長繁殖。光合細菌在水中厭氧層進行物質的初級生產,表明在厭氧層也可與好氧層一樣,維持光合生物的碳循環,硫的循環與碳的循環密切相關。而好氧層通過藍細菌維持碳的循環,氧的循環與此也密切相聯。
3光合細菌在水產養殖中的應用
3.1凈化和改善養殖水體
近年來,很多學者對PSB凈化水的效果進行了相關研究。王夢亮等[4]利用沼澤紅假單胞菌(Rhodopseudomonas palustris)和類球紅細菌(Rhodopseudomonas sphaeroides)純培養物1∶1的混合物(pH值7.5,活菌數1.6億個/mL),按30 kg/hm2用量一次性灑入魚塘,待PSB大量增殖并趨于穩定時,試驗池水質比對照組有明顯改善。其中溶解氧增加68%,COD下降21%,氨氮下降58.7%,硝酸氮下降29.4%,硫化物下降77.4%。施安輝等[5]分別用沼澤紅假單胞菌、綠色紅假單胞菌、膠質紅假單胞菌、球形紅假單胞菌(菌密度均在30億個/mL以上)在室內凈化污水,使用質量濃度10 mg/L,10 d后測定,COD分別下降了9.89%、2.85%、9.34%、11.51%;氨氮分別下降了34.51%、13.33%、28.97%、18.37%;亞硝酸鹽下降了29.27%、13.19%、30.34%、16.25%。
3.2預防水產動物疾病
施入水環境中的PSB大量繁殖時能分泌抗生素,可抑制病原菌的繁殖;莢膜紅假單胞菌細胞壁中含有的多糖類為非特異性免疫激活劑,水生動物攝食后可增強免疫力和抗病力,從而減少疾病的發生[6]。趙亮等[7]報道,向人工半咸水河蟹全封閉育苗系統中投放PSB,每隔5 d投喂1次,弧菌數量下降了11.1%,氣單胞菌下降了8.3%,硝化細菌數量提高了5倍。孫艦軍等[8]報道,利用光合細菌喂平均體長7.5 cm的中國對蝦,投喂量占餌料質量的0.5%,經22 d,試驗組蝦體酚氧化酶(PO)、超氧化歧化酶(SOD)、溶菌活力和抗菌活力分別比對照組高102.2%、22.1%、53.4%和14.0%,血細胞數目高67.2%。
3.3作為輔助飼料
光合細菌的營養成分見表2,作為輔助餌料,PSB起補充營養、改善代謝機能、提高餌料轉化率的作用。因此,用PSB作魚蝦貝類幼體開口餌料時,大大提高了幼體成活率,將PSB菌體加入餌料有效提高了飼料效率。
3.4作為浮游動物的餌料
養殖水體中含有一些浮游生物,這些浮游生物能以光合細菌為食,光合細菌的增殖可促進浮游生物的大量繁殖,從而為花鰱、白鰱等水產動物提供了豐富的餌料,促進其快速生長,可以說光合細菌促進了有機物向浮游生物轉化,進而向魚的生長方面轉化,使養殖綜合成本顯著降低。
4光合細菌在其他方面的應用
4.1在農牧業方面的應用
光合細菌具有固碳、固氮的功能,且在自然界的硫循環中擔任重要角色,因此能夠改善植物營養、增加土壤肥力、抑制病原微生物的生長。光合細菌還富含輔酶Q10,輔酶Q10具有增強心肌功能、抗休克、提高免疫力、改善細胞內呼吸等多種生理功能,能夠促進動物的生長。據報道,健康奶牛飼喂光合細菌后,平均每天多產奶2.5~3.0 kg,且體型均勻豐滿,屠宰后肌肉鮮紅、有光澤,肉質鮮嫩多汁;飼喂光合細菌的肉牛平均日增重多0.2 kg,凈肉率提高0.7%[9]。Varga等[10]研究表明,向發酵牛奶中加入藍細菌,不僅可以保護雙歧桿菌及其他有機體,還增加了牛奶中氨基酸和維他命的含量,提高了脂肪酸的組成。從現代營養學觀點來看,光合細菌為生產功能性牛奶食品開辟了嶄新的途徑。
4.2在生產食用色素方面的應用
隨著科學的發展,人們逐漸認識到以煤焦油系列為主要成分的合成色素具有致癌性,因此天然色素的開發備受關注。光合細菌的色素無毒,易提取,色彩鮮艷,有光澤,且具有防水性,可作為食品著色劑和添加劑,目前已經廣泛用于油脂類、豆制品、蔬果類以及飲料等的著色。光合細菌富含類胡蘿卜素,是天然紅色素的重要來源。藍細菌、綠硫菌與植物產生類胡蘿卜素的原理相似,都是將八氫番茄紅素轉變為番茄紅素,這是生物合成類胡蘿卜素的一個初期步驟[11]。
4.3在能源開發方面的應用
氫能源具有清潔無污染、能量密度高等特點,被認為是未來經濟發展的理想綠色能源之一。生物制氫因其具有低能耗、低成本、無污染和可再生性等優勢,一直是國際研究的熱點。光合細菌可以使有機物分解產生氫氣,且產氫的能量轉化率高,產氫的純度也較高。其中研究較多的是深紅紅螺菌,它可以以有機廢料作為原料進行光合產氫。
4.4在保健方面的應用
自20世紀70年代以來,日本、美國、德國、英國等廣泛開展了光合細菌的研究開發,因其含有豐富的營養成分和生物活性物質被開發成多種保健食品。光合細菌能夠增強動物的抗氧化能力,經動物試驗表明其具有延緩衰老、免疫調節的作用[12]。王夢亮等開發了一種經過微生物發酵而形成的含有光合細菌菌體蛋白及其代謝分泌物、有機硒化合物和中草藥發酵物的混合物,并申請了中國專利[13]。此光合細菌制劑能夠減少X射線引起的白細胞減少及染色體變異,能夠增加小鼠的巨噬細胞吞噬量,具有非常明顯的保健治療作用。
4.5在醫藥方面的應用
由于光合細菌含有豐富的營養成分和生物活性物質,對人體具有保健作用,因此其在醫藥保健品方面的應用越來越受到關注。有研究表明,在光合細菌培養基中添加一定濃度的木瓜、女貞子、郁金等中草藥的浸提液,不僅可以明顯促進光合細菌的生長,還可以提高其抑菌作用。且光合細菌本身能夠完全或部分對抗免疫抑制劑的免疫有抑制作用,對小鼠的免疫器官與免疫功能有一定的保護作用[14]。
5結語
隨著對光合細菌研究日益深入,光合細菌在現代養殖業、農業、環保等產業中應用越來越廣泛。同時,關于光合細菌的開發應用還存在著光合細菌種類繁多,進行具體研究的卻是少數的幾種光合細菌,這就會影響限制對光合細菌的利用;對已知作用結果的光合細菌未能及時投入生產創造效益或投入生產后不能充分發揮其作用等問題。因此,需要科研人員對其不斷深入研究,尤其是在工藝路線以及高效菌種的分離篩選與菌種改造方面不斷完善,光合細菌的應用才能更加廣泛,對人類的作用有著深遠意義。
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